專利名稱：三電平轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路和三相三電平轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三電平轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路和三相三電平轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
三電平轉(zhuǎn)換器，諸如整流器或反相器，是具有三個(gè)直流電壓電極的轉(zhuǎn)換器。它們不僅具有正負(fù)直流電壓電極，而且具有中性直流電壓電極。在下面的公布中公開了三電平 ^k^h^TTM :Υ· Zhao, Y. Li \)JsR Τ. A. Lipo Force commutated three level boost type rectifier" , IEEE transactions on industry applications, Vol. 31, No. 1,1995 年 1 月/2 月，禾P J. W. Kolar 與 F. C. Zach 的"A novel three-phase utility interface minimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifier modules " , IEEE transactions on industrial electronics, Vol. 44, No. 4,1997 年 8 月。圖1示出三相三電平整流器的主電路的電路圖。所述整流器包括三個(gè)開關(guān)支路 (switching branch)，每個(gè)開關(guān)支路中具有一個(gè)交流電壓輸入AC1、AC2、AC3。直流電壓輸出則由三個(gè)電極形成正直流電壓電極Udc+、負(fù)直流電壓電極Udc-和中性直流電壓電極 NP0整流器的每一個(gè)開關(guān)支路還包括在正負(fù)直流電壓電極之間串聯(lián)連接的四個(gè)二極管以及兩個(gè)可控開關(guān)，所述兩個(gè)可控開關(guān)根據(jù)給定的調(diào)制方法來調(diào)制輸入的電壓。可能的調(diào)制方法包括向量調(diào)制和遲滯調(diào)制(hysteresis modulation)。根據(jù)調(diào)制計(jì)劃，在每一個(gè)開關(guān)支路中的上部開關(guān)因此與串聯(lián)連接的最上部二極管換向，并且下部開關(guān)與串聯(lián)連接的最下部二極管換向。在圖中的示例中，每一個(gè)可控開關(guān)還與一個(gè)二極管并聯(lián)連接。圖1的整流器可以被實(shí)現(xiàn)為一個(gè)集成功率模塊，該集成功率模塊包括主電路的二極管和可控開關(guān)。冷卻優(yōu)化可能因此出現(xiàn)問題，因?yàn)椴煌牟考ǔ＞哂胁煌睦鋮s要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是開發(fā)一種用于解決或至少減輕上述問題的設(shè)備。本發(fā)明的該目的是通過一種三電平轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路和一種三相三電平轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的，所述三電平轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路和三相三電平轉(zhuǎn)換器的特征在于在獨(dú)立權(quán)利要求中所述的內(nèi)容。在從屬權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明基于下述情況彼此換向的所述三電平轉(zhuǎn)換器的第一二極管和第一半導(dǎo)體開關(guān)位于第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊中，而彼此換向的所述開關(guān)支路的第四二極管和第二半導(dǎo)體開關(guān)位于第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊中。本發(fā)明的解決方案提供了下述優(yōu)點(diǎn)與所有的部件位于同一殼體中的一個(gè)大集成功率模塊相比，位于清楚地分離的模塊中的部件實(shí)體的冷卻可以得到優(yōu)化。也更容易優(yōu)化例如部件的損耗和載流能力。另外，由于這樣的耦合的結(jié)構(gòu)，不可能在轉(zhuǎn)換器中出現(xiàn)有意的穿透，這提高了可靠性。而且，因?yàn)楸舜嗽谡{(diào)制頻率上彼此換向的半導(dǎo)體總是物理地位于同一模塊內(nèi)，所以有可能最小化換向電流路徑的分布電感。
現(xiàn)在結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例并參考附圖來更詳細(xì)地描述本發(fā)明。在附圖中圖1示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的三相整流器的主電路的電路圖；圖2示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的整流器的開關(guān)支路的電路圖；圖3示出半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)的示例；圖4示出半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)的示例；圖5示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路的電路圖；圖6示出半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)的示例；以及圖7示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的三相轉(zhuǎn)換器的主電路的電路圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的應(yīng)用不限于任何特定系統(tǒng)，而是可以被應(yīng)用到各種電子系統(tǒng)。另外，本發(fā)明的使用不限于利用特定基本頻率的任何系統(tǒng)或任何特定的電壓電平。圖2示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的三相整流器的開關(guān)支路的電路圖。應(yīng)當(dāng)注意，該圖僅顯示了對于理解本發(fā)明而言必要的元件。開關(guān)支路可以是三相整流器的一個(gè)開關(guān)支路或一相整流器的開關(guān)支路。圖2的開關(guān)支路包括交流電壓輸入電極AC，用于將開關(guān)支路連接到交流電壓輸出(未示出)；以及正直流電壓電極Udc+、負(fù)直流電壓電極Udc-和中性直流電壓電極NP。此外，開關(guān)支路包括在開關(guān)支路的正直流電壓電極Udc+和交流電壓電極AC 之間互相串聯(lián)連接的第一二極管Dl和第二二極管D2。此外，開關(guān)支路包括在開關(guān)支路的負(fù)直流電壓電極Udc-和交流電壓電極AC之間互相串聯(lián)連接的第三二極管D3和第四二極管 D4。開關(guān)支路還包括第一可控半導(dǎo)體開關(guān)Si，其連接在中性直流電壓電極NP與在開關(guān)支路的第一和第二二極管之間的連接點(diǎn)之間；以及第二可控半導(dǎo)體開關(guān)S2，其連接在中性直流電壓電極NP與在開關(guān)支路的第三和第四二極管之間的連接點(diǎn)之間。半導(dǎo)體開關(guān)Si、S2 可以是諸如IGBT(絕緣柵雙極晶體管)或FET(場效應(yīng)晶體管)的晶體管或其他半導(dǎo)體開關(guān)。為了清楚，在這個(gè)圖中未示出控制部件以及半導(dǎo)體開關(guān)的耦合。如圖中所示，開關(guān)支路可以進(jìn)一步包括第五二極管D5，其與第一半導(dǎo)體開關(guān)Sl并聯(lián)連接；以及第六二極管D6， 其與第二半導(dǎo)體開關(guān)S2并聯(lián)連接。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，開關(guān)支路的第一二極管Dl和第一半導(dǎo)體開關(guān)Sl位于第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊10中，而開關(guān)支路的第四二極管D4和第二半導(dǎo)體開關(guān)S2位于第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊20中。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，開關(guān)支路的第五二極管D5也位于第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊10中，而開關(guān)支路的第六二極管D6也位于第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊20中。在該上下文中，半導(dǎo)體模塊一般指的是包括多個(gè)半導(dǎo)體元件的模塊， 所述多個(gè)半導(dǎo)體元件被布置在公共襯底上，并且以適當(dāng)?shù)姆绞奖舜穗娺B接。圖3示出半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)的示例，可以使用所述結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)根據(jù)圖2的示例的第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊10。圖3的斬波器模塊包括以下述方式串聯(lián)連接的半導(dǎo)體開關(guān)和二極管二極管的陽極連接到半導(dǎo)體開關(guān)的漏極或集電極。另外，另一個(gè)二極管以圖中所示的方式與開關(guān)并聯(lián)連接。圖4示出斬波器模塊結(jié)構(gòu)的示例，可以使用所述結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)根據(jù)圖2的示例的第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊20。圖4的斬波器模塊包括以下述方式串聯(lián)連接的半導(dǎo)體開關(guān)和二極管二極管的陰極連接到半導(dǎo)體開關(guān)的源極或發(fā)射極。另外，
5另一個(gè)二極管以圖中所示的方式與開關(guān)并聯(lián)連接。事實(shí)上，圖2的開關(guān)支路的第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊10和第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊20優(yōu)選地是斬波器模塊。借助于在圖3和4中描述的斬波器模塊或?qū)?yīng)的成品斬波器模塊，容易實(shí)現(xiàn)圖2的整流器結(jié)構(gòu)。圖5示出根據(jù)第二實(shí)施例的三電平轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路的電路圖。圖5的開關(guān)支路對應(yīng)于在圖2的示例中的開關(guān)支路，除了它還包括與第一二極管Dl并聯(lián)連接的第三可控半導(dǎo)體開關(guān)S3，與第二二極管D2并聯(lián)連接的第四可控半導(dǎo)體開關(guān)S4,與第三二極管D3并聯(lián)連接的第五可控半導(dǎo)體開關(guān)S5，以及與第四二極管D4并聯(lián)連接的第六可控半導(dǎo)體開關(guān) S6。半導(dǎo)體開關(guān)S3、S4、S5、S6可以是諸如IGBT (絕緣柵雙極晶體管)或FET (場效應(yīng)晶體管)等的晶體管或其他半導(dǎo)體開關(guān)。為了清楚，在該圖中未示出控制部件以及半導(dǎo)體開關(guān)的耦合。在圖5的實(shí)施例中，開關(guān)支路的第一二極管Dl和第一半導(dǎo)體開關(guān)Sl位于第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊11中，而開關(guān)支路的第四二極管D4和第二半導(dǎo)體開關(guān)S2位于第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊21中。另外，第三二極管S3位于第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊11中，而第六二極管S6位于第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊21中。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，開關(guān)支路的第五二極管D5也位于第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊11中，而開關(guān)支路的第六二極管D6也位于第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊21中。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第二二極管D2和第三二極管D3與第四半導(dǎo)體開關(guān)S4和第五半導(dǎo)體開關(guān)S5位于第三開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊31中。圖6示出半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)的示例，使用該半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)圖5的第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊11、第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊21和第三開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊31。圖6的反相器支路模塊包括串聯(lián)連接的兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，每一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)以在圖中所示的方式與一個(gè)二極管并聯(lián)連接。事實(shí)上，圖5的開關(guān)支路的第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊11、第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊21和第三開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊31優(yōu)選地是根據(jù)圖6的半導(dǎo)體模塊。借助于在圖6中所述的半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)或?qū)?yīng)的成品半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)圖5的轉(zhuǎn)換器支路結(jié)構(gòu)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可以通過互連三個(gè)任何一個(gè)實(shí)施例的上述開關(guān)支路來實(shí)現(xiàn)三相三電平轉(zhuǎn)換器。圖1示出整流器的主電路的簡化電路圖，所述主電路由圖2的三相特有的開關(guān)支路形成，所述三相特有的開關(guān)支路通過連接每一個(gè)開關(guān)支路的正直流電壓電極Udc+、 負(fù)直流電壓電極Udc-和中性直流電壓電極NP而互連。每一個(gè)開關(guān)支路對應(yīng)地具有交流電壓輸入電極AC1、AC2、AC3，用于將整流器連接到三相交流電壓輸出的三相(未示出)。每一個(gè)開關(guān)支路進(jìn)一步包括以上面在圖2中所示的方式連接的第一二極管Dll、D12、D13和第二二極管D21、D22、D23以及第三二極管D31、D32、D33和第四二極管D41、D42、D43。另外， 每一個(gè)開關(guān)支路包括第一可控半導(dǎo)體開關(guān)Sll、S12、S13和第二半導(dǎo)體開關(guān)S21、S22、S23， 它們也以上面在圖2中所示的方式連接。為了清楚，在該圖中未示出控制部件以及半導(dǎo)體開關(guān)的耦合。圖1的整流器的每一個(gè)開關(guān)支路也可以包括第五二極管D51、D52、D53和第六二極管D61、D62、D63，如圖中所示。圖1的整流器的直流電壓中間電路又包括以下述方式在正直流電壓電極Udc+和負(fù)直流電壓電極Udc-之間串聯(lián)連接的電容器Cl和C2 在電容器的連接點(diǎn)處形成中性直流電壓電極NP。中間電路的結(jié)構(gòu)也與在圖中所示的不同。圖7示出根據(jù)第二實(shí)施例的三相三電平轉(zhuǎn)換器。圖7的轉(zhuǎn)換器由三個(gè)根據(jù)圖5的開關(guān)支路形成，所述三個(gè)開關(guān)支路通過連接每一個(gè)開關(guān)支路的正直流電壓電極Udc+、負(fù)直流電壓電極Udc-和中性直流電壓電極NP而互連。圖7的轉(zhuǎn)換器對應(yīng)于在圖1中所示的轉(zhuǎn)換器，但是在每一個(gè)開關(guān)支路中也包括以上面在圖5中所述的方式連接的第三可控半導(dǎo)體開關(guān)S31、S32、S33、第四可控半導(dǎo)體開關(guān)S41、S42、S43、第五可控半導(dǎo)體開關(guān)S51、S52、S53 和第六可控半導(dǎo)體開關(guān)S61、S62、S63。圖7的轉(zhuǎn)換器既可以用作整流器，也可以用作反相
ο 本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員都清楚，隨著技術(shù)進(jìn)步，可以以各種方式來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的基本思想。本發(fā)明及其實(shí)施例因此不限于上面的示例，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)改變。
權(quán)利要求1.一種三電平轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路，包括第一二極管(Dl ；Dll, D12，D13)和第二二極管(D2 ；D21, D22，D23)，所述第一二極管 (Dl ；Dll, D12，D13)和第二二極管(D2 ；D21, D22，D23)串聯(lián)連接在所述開關(guān)支路的正直流電壓電極(Udc+)和交流電壓電極(AC ；AC1，AC2，AC3)之間；第三二極管(D3 ；D31, D32，D33)和第四二極管(D4 ；D41, D42，D43)，所述第三二極管 (D3 ；D31, D32，D33)和第四二極管(D4 ；D41, D42，D43)串聯(lián)連接在所述開關(guān)支路的負(fù)直流電壓電極(Udc-)和所述交流電壓電極(AC ；AC1，AC2，AC3)之間；第一半導(dǎo)體開關(guān)(Si ；Sll, S12，S13)，連接在中性直流電壓電極(NP)與在所述第一和第二二極管之間的連接點(diǎn)之間；以及第二半導(dǎo)體開關(guān)(S2 ；S21, S22，S23)，連接在所述中性直流電壓電極(NP)與在所述第三和第四二極管之間的連接點(diǎn)之間，其特征在于，所述開關(guān)支路的所述第一二極管(Dl ；D11,D12,D13)和所述第一半導(dǎo)體開關(guān)(Si ；Sll, S12，S13)位于第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊(10 ；11)中；以及所述開關(guān)支路的所述第四二極管(D4 ；D41，D42，D43)和所述第二半導(dǎo)體開關(guān)(S2 ；S21, S22，S23)位于第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊OO ；21)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路，其特征在于，所述開關(guān)支路包括第五二極管(D5 ;051，052，053)，其與所述第一半導(dǎo)體開關(guān)(Si ；Sll, S12, S13)并聯(lián)連接；以及第六二極管(D6 ；D61, D62，D63)，其與所述第二半導(dǎo)體開關(guān)(S2 ；S21, S22，S23)并聯(lián)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路，其特征在于所述開關(guān)支路的所述第五二極管(D5 ；D51,D52,D53)位于所述第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊(10; 11)中；以及所述開關(guān)支路的所述第六二極管(D6 ；D61,D62,D63)位于所述第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路，其特征在于，所述第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊(10)和所述第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊00)是斬波器模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路，其特征在于，所述開關(guān)支路包括第三半導(dǎo)體開關(guān)(S3 ；S31, S32，S33)，其與所述第一二極管(Dl ；Dll, D12, D13)并聯(lián)連接；第四半導(dǎo)體開關(guān)(S4;S41，S42，S43)，其與所述第二二極管(D2 ；D21, D22, D23)并聯(lián)連接；第五半導(dǎo)體開關(guān)(S5;S51，S52，S53)，其與所述第三二極管(D3 ；D31, D32, D33)并聯(lián)連接；以及第六半導(dǎo)體開關(guān)(S6;S61，S62，S63)，其與所述第四二極管(D4 ；D41, D42, D43)并聯(lián)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路，其特征在于，所述開關(guān)支路的所述第三半導(dǎo)體開關(guān)(S3 ；S31，S32，S33)位于所述第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊(U)中；以及所述開關(guān)支路的所述第六半導(dǎo)體開關(guān)(S6 ；S61，S62，S63)位于所述第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊中。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路，其特征在于，所述開關(guān)支路的第二二極管(D2，D21，D22，D23)、所述開關(guān)支路的第三二極管(D3，D31，D32，D33)、所述開關(guān)支路的第四半導(dǎo)體開關(guān)(S4 ；S41, S42，S43)和所述開關(guān)支路的第五半導(dǎo)體開關(guān)(S5 ；S51, S52，S53) 位于第三開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊(31)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路，其特征在于，所述開關(guān)支路的第二二極管(D2，D21，D22，D23)、所述開關(guān)支路的第三二極管(D3，D31，D32，D33)、所述開關(guān)支路的第四半導(dǎo)體開關(guān)(S4 ；S41, S42，S43)和所述開關(guān)支路的第五半導(dǎo)體開關(guān)(S5 ；S51, S52，S53) 位于第三開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊(31)中。
9.一種三相三電平轉(zhuǎn)換器，其包括三個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)的開關(guān)支路。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，每一個(gè)開關(guān)支路的正直流電壓電極 (Udc+)互連，每一個(gè)開關(guān)支路的負(fù)直流電壓電極(Udc-)互連，并且每一個(gè)開關(guān)支路的中性直流電壓電極(NP)互連。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器是整流器和/或反相器。
專利摘要一種三電平轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路和三相三電平轉(zhuǎn)換器。所述三電平轉(zhuǎn)換器的開關(guān)支路包括在正直流電壓電極(Udc+)和交流電壓電極(AC)之間串聯(lián)連接的第一二極管(D1)和第二二極管(D2)；在負(fù)直流電壓電極(Udc-)和交流電壓電極(AC)之間串聯(lián)連接的第三二極管(D3)和第四二極管(D4)；第一半導(dǎo)體開關(guān)(S1)，連接在中性直流電壓電極(NP)與第一和第二二極管之間的連接點(diǎn)之間；以及第二半導(dǎo)體開關(guān)(S2)，連接在中性直流電壓電極(NP)與第三和第四二極管之間的連接點(diǎn)之間，第一二極管(D1)和第一半導(dǎo)體開關(guān)(S1)位于第一開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊(10)中，且第四二極管(D4)和第二半導(dǎo)體開關(guān)(S2)位于第二開關(guān)支路特有的半導(dǎo)體模塊(20)中。
文檔編號(hào)H02M7/155GK202009338SQ20102059894
公開日2011年10月12日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者泰勒·維塔寧 申請人:Abb公司